高層建筑鉆孔灌注樁豎向承載性能分析

摘 要：為研究樁長(zhǎng)對(duì)單樁極限承載力的影響，本文根據(jù)某軟土地區(qū)樁基工程實(shí)際案例，建立了樁基有限元分析模型，并考慮軟土特性，分析了樁長(zhǎng)對(duì)單樁極限承載力和沉降的影響以及不同樁長(zhǎng)條件下樁體內(nèi)力分布規(guī)律。結(jié)果表明，淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土的樁沉降-樁頂荷載曲線與粉土層的曲線趨勢(shì)一致，極限荷載和沉降接近，土質(zhì)對(duì)樁基塑性階段的影響最顯著。在樁基加載初期，不同樁基長(zhǎng)度下的沉降曲線重合，說(shuō)明樁基長(zhǎng)度對(duì)樁基彈性階段影響有限，主要影響樁基塑性階段。隨著樁基長(zhǎng)度增加，樁基極限沉降和單樁承載力越大。不同樁長(zhǎng)工況下的軸力分布幾乎一致，樁長(zhǎng)對(duì)樁底反力影響較為顯著。

關(guān)鍵詞：樁基礎(chǔ)；單樁承載力；沉降變形；數(shù)值模擬

中圖分類號(hào)：TU 196" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

樁基礎(chǔ)具有良好的適用性和經(jīng)濟(jì)性，因此是工程建設(shè)領(lǐng)域常用的地基處理方式，而樁基極限承載力是設(shè)計(jì)中重要的指標(biāo)之一，許多研究人員對(duì)此進(jìn)行了研究。趙鑫輝等[1]基于現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)、理論計(jì)算和數(shù)值分析，對(duì)鉆孔灌注樁加固砂質(zhì)斜坡路塹樁板結(jié)構(gòu)受力及變形特性進(jìn)行了研究。胡鵬志等[2]基于Choquet模糊積分建立了橋梁工程鉆孔灌注樁的施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型，對(duì)鉆孔灌注樁施工風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了評(píng)價(jià)。劉丹等[3]根據(jù)一系列現(xiàn)行規(guī)范，利用靜力觸探數(shù)據(jù)計(jì)算了預(yù)制樁單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值，并根據(jù)工程實(shí)際情況，建立了鉆孔灌注樁的豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值的經(jīng)驗(yàn)公式。李杰等[4]基于中海成都超塔在建項(xiàng)目試樁工程，采用聲波透射法及自平衡法對(duì)超高層嵌巖灌注試樁進(jìn)行了完整性檢測(cè)。周浙紅等[5]根據(jù)江蘇省南通市某工程案例，基于耦合歐拉-拉格朗日方法，采用ABAQUS有限元軟件建立了后注漿鉆孔灌注樁精細(xì)化有限元模型，對(duì)是否采用后注漿的鉆孔灌注樁承載力進(jìn)行了分析。王衛(wèi)國(guó)等[6]依托黃河下游地區(qū)某鐵路橋梁工程，進(jìn)行組合壓漿灌注樁自平衡靜載試驗(yàn)，對(duì)組合壓漿前后施工效應(yīng)和樁端沉渣對(duì)大直徑鉆孔灌注樁側(cè)阻力弱化效應(yīng)的影響進(jìn)行了研究。

本文基于某軟土地區(qū)樁基工程實(shí)際案例，利用數(shù)值方法分析了不同土層位置的樁基承載力變化情況。同時(shí)，研究了樁基長(zhǎng)度對(duì)單樁極限承載力、極限樁體沉降以及樁身軸力分布規(guī)律的影響。

1 工程概況

本文以高層建筑項(xiàng)目為研究背景，該項(xiàng)目總建設(shè)規(guī)模為55649.04m2，包括地上建筑和地下建筑，最大建筑高度為95.5m，建筑結(jié)構(gòu)為框架剪力墻結(jié)構(gòu)和框架結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)場(chǎng)勘察報(bào)告顯示，高層建筑所處地層土體為厚9.2m的淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土（重度為18.3kN/m3）、厚6m的粉質(zhì)黏土（重度為17.8kN/m3）、厚2.2m的粉土（重度為18.8kN/m3）。由于地基土體性質(zhì)較差，因此采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，樁長(zhǎng)混凝土等級(jí)為C35，樁徑為0.6m，樁間距為10m。

2 樁基數(shù)值模型

2.1 模型建立

采用有限元數(shù)值軟件建立樁基數(shù)值仿真模型，將模型幾何尺寸設(shè)為120m×80m×100m（長(zhǎng)×寬×高），圖1為三維數(shù)值模型圖。樁基采用實(shí)體單元模擬，為提高計(jì)算效率，保證計(jì)算精度，須對(duì)樁基部分進(jìn)行局部網(wǎng)格加密處理，整體模型劃分網(wǎng)格后共35414個(gè)節(jié)點(diǎn)，21234個(gè)單元。模型邊界條件如下。1）模型表面為完全自由邊界。2）模型頂部為完全固定邊界。3）模型側(cè)面設(shè)為法向約束邊界。

2.2 模型參數(shù)

軟土本身具有強(qiáng)度低、觸變性高、壓縮性高等特點(diǎn)，研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)土體應(yīng)變?yōu)?%時(shí)，剪切剛度已小于初始剛度的一半。大部分軟土施工階段的應(yīng)變?yōu)?0-5～10-2。在施工鉆孔灌注樁期間，軟土表現(xiàn)出小應(yīng)變的特征。傳統(tǒng)的HS本模型不能反映小應(yīng)變階段土體剪切剛度隨土體應(yīng)變非線性變化的特征。因此Ben在HS模型的11參數(shù)的基礎(chǔ)上，通過(guò)引入兩個(gè)小應(yīng)變參數(shù)（初始小應(yīng)變模量G0ref和剪切應(yīng)變水平0.7）[7]，來(lái)描述軟土小應(yīng)變行為。表1為本構(gòu)參數(shù)。

3 結(jié)果分析與討論

3.1 樁頂土層分析

為對(duì)比不同土層中樁基承載力性能的差異，統(tǒng)計(jì)不同荷載時(shí)的樁基沉降，繪制2種土層的樁基沉降-荷載曲線。如圖2所示，2種土層工況下的樁基沉降-荷載曲線的變化規(guī)律趨于一致：在樁頂荷載加載初期，樁體沉降量較少，隨著樁頂加載逐漸增加，樁體沉降量逐漸增加，該階段沉降曲線基本呈直線增加。在樁頂加載超過(guò)某個(gè)荷載值后，樁基沉降陡然增加，沉降曲線斜率接近1，然后樁基破壞。由此可見(jiàn)，荷載曲線可以分為緩慢增加階段和急劇增加階段，分別對(duì)應(yīng)加載過(guò)程中樁基所處的彈性階段和塑性發(fā)展階段。根據(jù)規(guī)范里樁基承載力的確定方法，樁基沉降曲線斜率發(fā)生明顯變化的點(diǎn)對(duì)應(yīng)的荷載值即為樁基承載力，樁基發(fā)生破壞時(shí)對(duì)應(yīng)的沉降為極限沉降。

進(jìn)一步觀察圖2可知，對(duì)粉土來(lái)說(shuō)，當(dāng)樁頂荷載增至10.3MN時(shí)，樁基沉降曲線斜率略有增加，此時(shí)樁基沉降值為2.1mm。當(dāng)樁頂荷載繼續(xù)增至11.8MN時(shí)，樁基沉降曲線斜率陡然增加，并立刻發(fā)生破壞，樁基破壞時(shí)的沉降量為5.2mm，樁基極限荷載為11.8MN。對(duì)淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土來(lái)說(shuō)，當(dāng)樁頂荷載增至9.9MN時(shí)，樁基沉降曲線斜率略有增加，此時(shí)樁基沉降值為2.3mm。當(dāng)樁頂荷載繼續(xù)增至10.9MN時(shí)，樁基沉降曲斜率突然增加，并立刻發(fā)生破壞，樁基破壞時(shí)的沉降量為9.8mm，樁基極限荷載為10.9MN。上述分析可知，土層對(duì)樁基塑性階段的影響最顯著。

3.2 樁長(zhǎng)對(duì)單樁極限承載力和沉降變形的影響

通過(guò)建立6種不同樁長(zhǎng)模型來(lái)分析樁長(zhǎng)對(duì)樁基承載力的影響，樁長(zhǎng)分別為30m、35m、40m、45m、50m、55m，繪制6種樁長(zhǎng)下的樁基沉降曲線圖，如圖3所示。6種樁長(zhǎng)條件下樁基沉降曲線變化規(guī)律類似：在樁基加載過(guò)程中，樁沉降先呈線性增加，然后樁沉降迅速增加直至破壞。在加載初期，不同樁長(zhǎng)的沉降曲線重合，隨著荷載增加，30m樁長(zhǎng)的樁基先陡然增加，然后隨著荷載的持續(xù)增加，35m、40m、45m、50m、55m的樁基依次發(fā)生破壞。

為進(jìn)一步分析樁長(zhǎng)對(duì)極限沉降和樁基承載力的影響，繪制不同樁長(zhǎng)工況下荷載-沉降曲線圖，如圖4所示。圖4（a）為不同樁長(zhǎng)的樁基承載力，圖4（b）為不同樁長(zhǎng)的極限沉降。增加樁基長(zhǎng)度，樁基承載力總體呈線性增加，當(dāng)樁基長(zhǎng)度從30m增至55m時(shí)，樁基承載力從4.1MN增至19.8MN，增幅達(dá)到383%。因?yàn)闃痘L(zhǎng)度越長(zhǎng)，樁基與周邊土體接觸面積越大，所以側(cè)磨阻力越大。樁基長(zhǎng)度增加，樁基極限沉降也逐漸增加，但增幅逐漸減少。

3.3 樁體傳力規(guī)律

為研究樁體傳力規(guī)律，對(duì)樁長(zhǎng)為30m、40m和50m工況下的樁基進(jìn)行仿真模擬，并在模型內(nèi)設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，得到不同深度位置處的樁身軸力。

圖5為不同樁長(zhǎng)條件下樁身軸力隨深度變化情況。從圖中可以看出，在相同位置，不同樁長(zhǎng)工況下的軸力分布幾乎一致，30m樁長(zhǎng)工況下的軸力略小，表明樁長(zhǎng)對(duì)樁身軸力分布規(guī)律影響較小。對(duì)樁底反力來(lái)說(shuō)，30m樁長(zhǎng)工況下的樁底反力為1450kN，占樁頂荷載比例為24.4%，40m樁長(zhǎng)工況下的樁底反力為252kN，占樁頂荷載比例為4.2%，50m樁長(zhǎng)工況下的樁底反力為152kN，占樁頂荷載比例為2.5%。隨著樁長(zhǎng)增加，樁側(cè)摩阻力增加，在相同荷載條件下，樁長(zhǎng)越大，樁端阻力占比就越小，隨著樁長(zhǎng)增加，樁體受力形式由端承樁向摩擦樁轉(zhuǎn)化。說(shuō)明樁長(zhǎng)對(duì)樁底反力影響較為顯著，而當(dāng)樁長(zhǎng)大于40m后，樁底軸力占比較小，可忽略不計(jì)。

4 結(jié)論

本文依托某軟土地區(qū)樁基工程實(shí)際案例，通過(guò)有限元建立了樁基數(shù)值仿真模型，分析了不同土層位置處樁基承載力變化情況。同時(shí)，研究樁基長(zhǎng)度對(duì)單樁極限承載力、極限樁體沉降以及樁身軸力分布規(guī)律的影響。得出以下結(jié)論。1）隨著樁基荷載逐漸增加，樁基沉降先呈線性增加，在荷載超過(guò)一定值后，樁基沉降陡然增加，然后樁基破壞，沉降曲線變化對(duì)應(yīng)樁基的彈性階段和塑性發(fā)展階段，且土層對(duì)樁基塑性階段的影響最顯著。2）在樁基加載初期，不同樁長(zhǎng)的沉降曲線重合，隨著樁基長(zhǎng)度增加，樁基依次發(fā)生破壞。樁基長(zhǎng)度增加，樁基與周邊土體接觸面積越大，側(cè)磨阻力越大，因此樁基承載力逐漸增加。且樁基極限沉降逐漸增加，但增幅逐漸減少。3）不同樁長(zhǎng)工況下的軸力分布幾乎一致，樁長(zhǎng)對(duì)樁底反力影響較為顯著，而在樁長(zhǎng)大于40m后，樁底軸力占比較小。

參考文獻(xiàn)

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